（机械电子工程专业论文）晶闸管co2焊机熔深控制技术的研究.pdf

摘要 摘要 在实际的c 0 2 气体保护焊焊接过程中，经常遇到些复杂的施焊条件。在这些 施焊条件进行焊接，焊丝干伸长将发生变化。此时，干伸长的电阻相应的发生变化、 这将影响焊接电流的输出，其结果导致焊接电流的变化。因此焊缝熔深也发生变动， 容易产生熔深不足等缺陷。因此，c 0 2 气体保护焊焊接过程中，有效地实施对焊接 熔深的自动控制是需要解决的问题。 焊缝熔深不足是焊缝及焊接接头内部的一个典型缺陷，会给焊接结构的质量及 使用安全带来危害及影响。由于焊缝熔深在实时状态下难以直接检测，因此，对焊 缝熔深的控制主要是通过调节与其相关量来实现的。本文分析了焊接过程中由于干 伸长的变化对焊缝熔深的影响，确定了熔深控制方案。在此基础上，设计了以单片 机m s p 4 3 0 f 4 4 9 为核心的晶闸管c 0 2 焊机的硬件控制系统，并且进行了调试。在可 靠的硬件平台上，设计了焊机的软件控制系统。 课题基于c o s ，i i 嵌入式实时操作系统( r t o s ) 完成了焊机软件控制程序的编 写，r t o s 的引入保证了焊接过程中任务之间切换的实时性。在软件设计上，使用了 模糊控制技术，设计了模糊控制流程。课题设计的过程中，对控制系统的移相触发 电路和送丝机控制电路进行了s a b e r 建模仿真，提高了工作效率，并且减少了实验成 本。 实验结果表明，采用的模糊控制技术对焊缝熔深有较好的补偿性，s a b e r 仿真软 件所建立的等效电路模型能够真实的反映实际电路。 关键词：晶闸管c 0 2 焊机；模糊控制；熔深 a b s t r a c t d u r i n gt 1 1 ep r a c t i c a lc 0 2g a ss h i e l da r cw e l d i n gp r o c e s s ，s o m ec o m p l i c 砷。dp r o b l e m sh a v eo f t e n b e e ne n c o u n t e r e d i fw e l d i n gi so p e r a t e di ns u c hc o n d i n o n ，t h ew i r ee x t e n s i o nw i l lc h 甜培e a n d 血e r e s i s t a l l c eo fw i f ee x t e n s i o nw i l lc h a n g e ，i tw i l li n n u e n c et h ec u r r e n t so u t p u ta i 】dt h ew e ld i n gc u h n t w i l lc h a n g e s ot 1 1 es h a p ea i l dt h ep e n e 仃a t i o no fw e l d i l l gb e a dw i l lc h a t l g e ，r e s u l ti n 也e1 a c ko ft h e p e n e t r a t i o n s ot h ee f f e c t i v ea u t o c o n t r o lt ot h ep e n e 仃a t i o no fw e l d i n gn e e d st ob es e 砌e di nc 0 2g a s s h i e l da r cw e l d i l l gp r o c e s s t h ei a c ko f t h ep e n e t r a t i o no fw e l d i n gb e a di sat y p i c a ld e f e c tnw i l ld og r e a th a mt ot h eq u a l i t y a i l ds a f e t yo ft h ew e l d i n gs t r u c t u r e n ep e n e 仃a t l o no fw e l d i n gb e a di sh 盯dt ob ec h e c k e dd i r e c t l yi n p r a c t i c e ，s ot h ec o n t r o lo nt h ep e n e n a t i o no fw e l d i n gb e a di sm a i n l yr e a l i z e db ya d j u s 廿n g 血er e l a t e d 缸t o r s t h ee 髓c to f t h ec h a n g e so f 1 ew i r ee x t e n s i o no nt h ep e n e 仃砌o no f w e l d i n g b e a di sa n a l y z e d a n dap r o j e c to f t l l ec o n t r o l l i n gt 0 血ep e n e 仃a 廿o no f w e l d m gb e a di se s t a b l i s h e di n 也i sp a p e lb a s e do n t h i sp r o j e c kah a r d w a r ec o r l 订o ls y s t e mo fs c rc 0 2g a ss h i e l da r cw e l d i n gb a s eo ni i l i c r o p r o c e s s o r m s p 4 3 0 f 4 4 9w 髓d e s i g n e d ，a n dd e b u g g i n gh a d b e e nc o m p l e t e d w i t ht h i s e l i a b l eh a r d w a r ep l 砒f o m ， 血es o r w a r ec o n 仃o ls y s t 锄o f w e l d i n gm a c h i n ew 髂d e s i g d e d b a s e do nuc ，o s - i ie m b e d d e dr e a l1 缸eo p e r a 廿n gs y s t e m 唧s ) ，也es o f t w a f ec o n 廿o l p r o g r a mo fw e l d i n gm a c l l i n ew a sc o m p l e t e d t h ei n t r o d u c t i o no fi u d se n s e s 血er e a lt i m eo ft h e s w i t c ha m o n g 廿1 ew e l d i n gt a s k s d u r i n gt h ed e s i g no ft h es o 厅w a r e ，t 1 1 ef u z 2 ：yc o n t r 0 1t e c h n i q u ew a s a d o p t e da n d 幽ef b z 巧c o n 拍l 弛ww a sd e s 逗n e d ，d u m gl h ed e s 酾o ft a s k ，t h em o d e l j n ga 1 1 d s 油u l a t i o no nt l l ep h 船ea n df e e d e rc o n 1c i r c u i to fc o n 仃o ls y s t e mi i ls a b e rw a sc o m p l e t e d ，w h i c h e n h a i l c e dm ew o r ke 历c i e n c ya n dr e d u c e dm ee x p e r i m e n tc o s t t h er e s u l to f t l l ee x p e r i n l e ms h o w e d 也a tt h e 如z 巧c o n 仃o l t e c h n o l o g yi sw e l lc o m p e n s a t o r yt ot h e p e n e t r 撕o no fw e l d i n gb e 8 d t h ee q u i v a l e mc i r c u i tm o d e le s t a b l i s h e di ns a b e ri sa b l et or e n e c tm e c i r c u 赴i nd r a c t i c e 。 k e yw o r d sc 0 2g 船s h i e l d 甜cw e l d i n gm a c h i n eb a s eo ns c 砖f u z z yc o n 仃0 1 ；p e n e _ 【r 砌o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 签名薹! 丝日期i 关于论文使用授权的说明 伽。| ；。 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：塞e 纽导师签名铷咱f日期：丝= ! ! 1 1 研究背景 第1 章绪论 焊接是现代制造工业中最重要的工艺技术之一，据统计，发达国家的焊接结构 用钢超过其本国钢产量的6 0 ，而我国也有4 0 的钢结构是通过焊接完成的】。c 0 2 气体保护焊技术，是一种节能、高效、优质的焊接工艺，自5 0 年代初问世以柬，受 到世界各国的普遍重视，很多国家的焊接工作者都致力于c 0 2 气体保护焊技术的应 用与发展巩 近几年来，随着冶金、机械、石化、电力及原子能、航天等现代技术的高速发 展，对所使用的设备质量提出了越来越高的要求。而现代化焊接技术的发展，使工 程设各中的焊接结构目趋突出，保证焊接结构的质量就成了国内外焊接工作者面临 的重要课题。 焊接过程的自动化控制是保证产品质量的一个极其重要的环节。目前焊接自动 化控制中耍解决的多指“宏观”虽终质量和过程质鼍控制问题。前者包括焊缝的几 何形状、位置偏差以及焊接缺陷检测等；后者主要是指在实际焊接生产中，焊接规 范参数、焊缝成形、焊接熔深及焊透等的自动控制。其中，有效地实施对焊接熔深 及熔透等的自动控制是国内外急待解决的问题。 未焊透是焊缝及焊接接头内部的一个典型映陷，对于不同的焊接接头，未焊透 表现为多种形式：采用单面焊时，坡口处及背面表现为未焊透；采用双面焊时，在 一侧施焊后再焊另一侧，由于焊接熔深太浅，形成中间的未焊透区域( 如图1 1 ) 。 鼬出 曲躅 如匠坠k 图1 1 束焊透型式嘲 f 嘻1 1t h e m o d e lo f n 矾p e r m r 咖d i n w e l d l n g 未焊透作为某些焊接结构的焊缝及接头内部缺陷，会给焊接结构的质量及使用 安全带来极其不利的危害及影响。首先它减少了有效受力截面积，使焊接接头力学 性能降低；另外，未焊透实际上为一应力集中源，当焊接结构承受载衙时，会产生 性能降低；另外，未焊透实际上为一应力集中源，当焊接结构承受载荷时，会产生 。，：，! ，。! ，。i 塑翟兰! 丝耋坠茎堡鎏圣一。，。，。，。：，：，。 高值的应力和应力集中，因此增加了焊接结构脆性断裂的可能性，同时在动态载荷 作用下，导致疲劳强度大大下降。所以，在焊接过程中，解决焊接熔深及熔透的自 动控制具有重要的工程实际意义【3 “。 由于焊缝熔深在实时状态下难以直接检测，因此，对焊缝熔深的控制主要是通 过调节与其相关量来实现的。弧焊过程是一个典型的非线性、强耦合和时变的多变 量相互影响的复杂过程，存在强烈的弧光、烟尘、辐射和电磁干扰等不利囡素，其 动态因素很难用数学模型来描述，熔深的实时提取也很困难。因此，基于经典数学 模型的控制方法很难达到较高的焊缝质量【_ ”。 1 2 熔深控制技术国内外发展现状 焊接熔深及熔透自动控制技术的关键在于如何有效的取反映焊接熔深及熔透的 信号( 不仅熔深、熔透，其他一些焊接过程的自动控制也如此) 。因为只有获得反映 过程本质的特征信息量，才能有效的实旌对过程的反馈控制，达到控制熔深及熔透 的目的。因此，在焊接过程中与焊接现象、过程有关的检测在工程上具有突出的重 要性。在焊接过程中，伴随电弧会产生热、声、光、电磁等噪音，电弧扰动等各种 复杂的物理过程和随机过程所带来的干扰，给在电弧附近检测造成技术上困难，围 绕这些问题，国内外开展了多方面的研究工作。 根据所采用的检测信息方法，焊接熔深及熔透自动控制系统可分为以下几种形 式。 1 2 1 视觉传感检测法 利用c c d 视觉传感器检测焊缝正面或反面的成形情况，通过某种数学模型的计 算，如根据描述熔深与焊缝间隙和熔宽之间关系的数学模型、比色温度场方法等， 间接获取熔深量。清华大学潘际蜜院士采用线性电荷耦合器件( c c d ) 及光线从焊 缝背面检测熔透度信息，继而又采用面阵c c d 创造了比色求温度场的方法，通过实 时检测温度场达到了闭环控制焊接熔透的目的【s 1 。哈尔滨工业大学陈善本教授和吴林 教授等采用c c d 摄取熔池图象信息，通过自学习模糊神经网络，对脉冲钨极气体保 护焊( g h w ) 的熔池尺寸( 主要为熔宽) 进行控制，实验表明该方法有效的提高了 焊缝成形质量【9 1 。华南理工大学黄石生教授通过建立焊缝质量神经网络数学模型实现 了熔池尺寸的控制和熔深的检测【l ”“】。 2 1 2 2 焊接温度场自动检测系统 由于焊接熔深及熔透总是以温度场的变化表现出来的，因此若能直接通过检测 焊接温度场的变化，来控制焊透程度是最理想的。在实际焊接过程中，由于接触式 测温方法难以实现，通常是采用非接触式测温方法。 采用红外测温传感器从正面检测温度场会遇到两个困难：( 1 ) 电弧以及电极产 生的背光带来的干扰；( 2 ) 红外强度依赖于金属表面发射率，而表面发射又随着材 料种类和表面状态有很大变似“1 。 利用红外测温计，在低频脉冲t i g 焊中，通过测量靠近熔池后方根部距离电弧 中心为5 1 0 r r n 处点的温度，找出了所测温度与焊缝宽度之间的关系，实验方法与 装置如图1 2 。 i f 3 0 0 a 【 i s _ 5 a m i n f = o 5 1 0 0 h 。 一盔 十 1 0 k h z ) 综合形式表现出来。焊接熔深的数学表达式为( 1 一1 ) ： 撇霭 北京工业太学工学硕士学位论文 粘工盘 。1 ) f 2 x 2 声xk 式中b 一冲击脉冲转变为电信号的系数； r _ 一金属物理性能决定的常数； e 为由被焊金属激起的声转变系数； i h 。为低频分量的积分，它代表了焊接过程的动力学条件； i b 厂一为高频分量积分，代表了熔池金属体积和深度。 在实际焊接过程中，只需随时检测一个脉冲周期之内的i h 。和i b 。，即可测到焊接 熔深。但是，由于这种方法受到焊接方法、焊接工件尺寸等的严格限制。在弧焊过 程中，由于高温、工件表面的清洁和光滑程度，必需考虑振动传播时间，外界复杂 的振动噪声干扰带来的信噪比大大下降等多种复杂因素，使得振动检测方法很难在 弧焊中应用。荷兰的a e n d e n r o a m e fa j r 等人利用附加脉冲电流引起熔池振荡，研 究了振荡频率峰值与焊缝熔透程度即熔深之间的关系，找出了脉冲g t a w 的熔深监 控【1 5 q 6 】。文献 1 7 利用电子天平检测出电弧力，通过电弧力、熔池下凹量和熔深之间 的联系，间接推算出熔深。 1 2 4 声音检测控制系统 在弧焊过程中，伴随着电弧的产生，国内外曾有人试图利用电弧声作为检测以 及控制焊接过程的信息量，并在这方面进行了研究1 8 埘】。在焊道上，人为制造的孔、 段差、焊件的倾斜、坡口间隙的交化、保护气体的扰动、焊穿等焊接异常过程，均 能通过电弧声检测出来。在t i g 焊中，焊接间隙变化的电弧声检测结果如下( 图l 一3 ) e 2 4 ： 响应 l o d b d i v t i g 焊i p = 2 0 0 ai b = 1 6 0 a p = 2 0 间隙宽度焊接速度2 0 0 c m m i n i山ll 上l l l 上l 上j 上叫 l ll lli l l ll il 刚l 叫u n m l n j 图1 3 电弧声检测结果【1 5 】 f i 正1 - 3t h ed e t e c t e dr e s u l to f 眦ss o i l n d 1 2 5 电弧电压检测控制方法 在等离子弧焊过程中，焊接过程中的穿透“小孔”直径能反映焊透的程度，而 第1 章绪论 小孔直径可以采用附加电弧或测量电弧电压的方法来估算。其具体做法是在焊缝背 面一定距离处放置一测量棒，在工件与测量棒之间加上2 2 0 v 的交流电压，当电弧穿 透工件“小孔”时，由于等离子尾焰具有一定的导电性，从而在附加交流电压的作 用下，产生一定的测量电弧，测量电弧的电压与小孔直径的大小有关。实验是在带 一定孔径的水冷铜板上进行的，改变焊接电流，就可获得一组电弧电压与小孔直径 ( 即焊透程度) 间关系曲线。事实上，采用较低的附加电压或省掉附加电源，当“小 孔”形成时，直接测量等离子弧焊尾焰电压的方法，同样可达到上述的目的【2 ”“。 美国的c h i u s 对皑rb k 设计了一种自适应控制方法，通过调整电弧电压实现了钨 极氩弧焊( t i g 焊) 熔深的在线控制【2 ”。 1 2 6 其他新方法 在固定点t i g 焊情况下，在正常焊接电流的基础上，瞬间施加一脉冲电流来激 励焊接熔池产生振荡，然后检测电弧电压，获得焊接熔池的振荡信号。焊接熔深和 焊接熔池振荡频率之间有一定的对应关系，随着焊接熔深的不断增加，焊接熔池振 荡频率不断下降。以焊接熔池振荡频率作为检测焊接熔深的特征信息量，在薄板焊 接过程中，会给出较高的灵敏度，因此适用于薄板的熔深控制。 利用焊接熔池振荡信号实现了对非固定点焊接及熔透的控制，并给出了焊接熔 深与焊接熔池振荡频率之间关系的经验公式。 利用流体力学及热流学理论对焊接熔池的质点运动及质点运动方程，焊接熔深 及熔透进行了研究，提出了熔池自由表面张力梯度，化学元素对熔深的影响以及热 流学和流体力学对焊接熔池集合形状及尺寸的影响【2 ”。 上海交通大学的齐志扬教授针对熔透控制这类大时滞系统，研究了一种动态矩 阵控制法，并应用其预测性进行熔深控制，克服了熔深传统比例积分微分( p i d ) 控 制方法易引起系统振荡的缺点口“。 另外还有弧焰接触导电法，超声发射法和基于电弧参数、坡口尺寸的前馈控制 法的。 综上所述，现有的焊接熔深及熔透自动控制系统和方法，由于在检测反映焊接 熔深及熔透信息上存在的技术困难，使得其在实际应用中都有一定的局限性【3 ”。 1 2 7 熔深控制在c 0 2 焊上的应用 熔深控制技术不但在1 1 g 焊上有着广泛的应用，在c 0 2 焊上同样被使用。 c 0 2 焊中，一般采用平特性电源配等速送丝系统。当弧长发生变化时，平特性 输出的电流也跟着变化，该电流调整焊丝熔化速率，使弧长始终处于稳定状态。当 焊枪导电嘴与工件间的距离发生了变化的情况下，如管材狭窄部位的回转焊接及难 度较大的向上的立焊( 图1 4 ) ，箱型梁终端部位的焊接( 图1 ，5 ) ，窄坡口的多层堆 焊( 图1 - 6 ) 。这时，电流将产生波动，最终稳定电流将与原电流值有偏差。由于焊 接电流的变化，造成焊缝熔深不一致。以上情况在c 0 2 焊时是经常出现的。自动焊 时焊接坡口加工情况不一致，或多层焊时前焊道焊缝高度不均匀等情况，以及半自 动焊时，焊工把持焊枪的手抖动等情况，最终都将造成电流的波动，影响焊缝熔深。 图1 - 4 管材焊接及向上立焊 f i g 卜4p i p ea i l d v e n i c a l u p w e l d m g 图1 5 角焊 f i g 1 - 5a n g l ew e l d s 图l 一6 窄坡口 f j 9 1 - 6n wg m o v c c 0 2 焊等熔深控制是九十年代初发展起来的新型控制技术，目的是解决干伸长 发生变化时引起电流波动造成焊缝熔深不一致的问题。国外对c 0 2 焊等熔深控制( 通 过送丝速度间接闭环恒流) 的研究主要集中在日本。自从九十年代以来，日本0 t c 公司、松下公司、h 1 1 a c h 公司、神户制钢等先后对半自动焊因焊枪抖动造成的电 流波动进行恒流控制，其目的是降低c 0 2 焊接时对焊工熟练程度的要求，提高焊缝 质量和电弧稳定性。 日本0 t c 采用模糊控制技术实现了焊接电流的恒流( 等熔深) 控制。在其焊机控 制中引入电流负反馈来控制送丝速度，进而保证焊工手抖动时焊接电流不变而得到 恒熔深。即在焊枪被提高、电源负荷变大焊接电流变小时，自动增加送丝速度使焊 接电流恢复正常，反之则减小送丝速度，以保证焊缝的等熔深【3 。日本松下公司已 推出k a 5 0 0 型晶闸管c 0 2 焊接电源。该电源对焊接电流进行采样判断，得出焊丝 干伸长的变化量，利用模糊逻辑，建立焊缝熔深与送丝速度和输出之间的关系，从 6 而稳定焊接质量。 1 3 研究内容 我国在熔深控制技术上，虽然进行了一些有益的研究，但是与发达国家还有一 定的差距。因此，实现焊缝的熔深控制有着很现实的意义。 使用般电源时，随着焊丝干伸长增加，焊接电流减小，因此熔深减小【3 ”。在 本课题设计中，通过检测焊接电流大小，当电流减小时，说明焊丝干伸长增大，用 模糊推理去控制送丝速度，通过提高送丝速度来增加焊接电流。保持电流不变，从 而保持熔深恒定。 本课题以熔深控制为目的，采用模糊控错0 技术，充分利用1 6 位单片机丰富的片 内外设功能，设计了合适的熔深控制方案，建立了熔深控制系统，为阻后的研究作 出良好的铺垫。 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 完成控制电路的硬件设计。基于m s p 4 3 0 f 4 4 9 芯片，设计了晶闸管移相 触发电路，送丝机控制电路，输出电压、电流信号反馈电路，各种保护电路及显示 电路 ( 2 )完成控制电路的软件设计。在实现雌o s i ir t o s 在m s p 4 3 0 f 4 4 9 上移植 成功的基础上，采用模糊控制技术，完成熔深控制程序，以保证焊缝熔深的稳定， 改善焊缝质量； ( 3 ) 完成焊机的装配和软、硬件调试。完成整机装配和控制电路的软、硬件调 试，实现熔深控制工艺，为进一步研究提供基础。 第2 章硬件电路设计及电路仿真 第2 章硬件电路设计及电路仿真 2 1 总体设计方案 本课题所使用的c 0 2 焊机是基于m s p 4 3 0 的晶闸管整流焊机，工作的主要参数是设 定的电压和电流值。焊接时，通过焊接电流的反馈，对送丝机构进行调节，实现焊接 电流的稳定，达到焊缝熔深控制的目的。 本课题采用的焊机主要包括四个部分：主电路系统，同步及移相触发电路，送丝机 控制电路和显示电路。图2 1 是晶闸管c 0 2 焊机系统总体设计方案示意图。 图2 - l 晶闸管c 0 2 焊机总体设计方案 f i g 2 - 1 皿ep r o j e c tb 嬲e do ns c rc 0 2w c l d i n gm a c h i n e 带平衡电抗器的三角形双反星形变压器是焊机的主功率部分，交流三相电通过保 护电路后输入到变压器原边，变压器的副边和晶闸管整流电路连接，输入到原边的电压 经过整流后输出到焊枪上。通过对焊机的输出电压和电流值进行设定，单片机通过处理 设定的电压、电流参数对移相触发电路和送丝机控制电路发送对应的信号值，实现匹配 的电压和电流输出。 一，一，。，。一，! 璺些型：耋些鎏垒。，一，! 一。，一，一 2 2 焊机主电路 主电路形式采用的是带平衡电抗器的双反星形可控整流电路，主功率元件为晶闸 管。晶闸管是种大功率的半导体器件，它具有体积小、质量轻、耐压值高、容量大、 效率高、使用维护简单和控制灵敏等的优点。同时它的功率放大倍数很高，可以用微小 功率的信号( 1 0 0 2 0 0 m a 的电流，2 3 v 的电压) 对大功率( 电流为几百安，电压为 数千伏) 的电源进行控制和变换。由于晶闸管的这些特点及其制造和应用技术的飞速发 展，使得它在各个工业部门得到了广泛的应用，主要用于整流、逆变、调压、开关等方 面【3 8 】。晶闸管整流电路是应用得较广泛的整流电路。图2 2 是焊机的主电路示意图。 图2 - 2 焊机主电路 f i g 2 2t h em a i l lc i r c l l i to fw e l d i n gn l a c h 协e 2 3 单片机控制系统的设计 单片机控制系统是整个c 0 2 气体保护焊数字控制系统的管理和监控单元。焊机的时 序控制、与p c 机通讯进行软件升级、与控制面板和送丝控制系统的通讯均由单片机控 制系统负责管理与实现。 单片机控制系统的电路设计主要实现的功能有： ( 1 ) 通过对电压、电流的设定参数控制晶闸管的导通角和送丝机的电枢电压实现不 同的焊接电源电压、电流输出； f 2 ) 通过对焊接电源保护电路( 如主功率器件温度监测电路、缺相监测电路和冷却 水温度监测电路等) 反馈信号的判断，实现对系统的保护； ( 3 ) 将设定的电压、电流、送丝速度和焊丝直径等参数反映到控制面板上，并且把 控制面板上选择好的参数反映到电路中，实现对主电路的控制； ( 4 1 通过对焊接电流的采样电压与设定值的对比，采用模糊控制技术，实现对焊接 第2 章硬件电路设计及电路仿真 电源输出电流的控制。 根据上述c 0 2 气体保护焊对单片机控制系统设计的要求，课题设计的单片机系统如 图2 3 所示。 焊接电压和焊接电流的采样信号发送到单片机的a d 端口，单片机根据这些采样数 据发出相应的控制信号；对移相触发和送丝机控制电路的控制主要用到了单片机的s p i ( 同步通讯) 功能，单片机通过对外设d a 转换芯片写入控制字，实现对这两个电路的 控制；单片机对显示面板的控制主要体现在对显示面板按键信号判断和对相应的数码管 进行驱动。 图2 3 单片机控制系统原理图 “2 2 - 3t h es c h e m a 廿co f m c uc o n 打叫s v s 亡e m 2 3 1 数字处理芯片的选择 在数字控制系统中，所采集的数据能得到快速处理，是实时控制的关键【3 。主要控 制芯片的选择对于满足系统控制实时性要求十分重要。焊接过程的一些重要参数的控 制，比如焊接电流的控制，需要对相应的参数进行计算处理，数据处理的延时要小于控 制的采样周期。比如确定的采样周期为1 0 0us ，因此对控制芯片的要求为在1 0 0ps 时 间内完成弧焊工艺控制一个周期的计算处理。在某些对系统延时有严格要求的场合，如 果此时计算时间过长，就有可能会导致系统出现短时失控的现象。为了对焊接电源系统 进行更快速和精确的控制，数字化电源迫切的要求主控制芯片的指令周期能大大缩短。 同时，为了降低主控芯片的复杂程度，我们也希望能将更多的系统功能集中到一个芯片 上来，以便降低由于多个芯片通讯时受到干扰而造成系统的不稳定因素，同时能够大大 北京工业大学工学硕士学位论文 降低在软件编程上的工作量。 因此，要求寻找一种芯片，它要拥有以下特点： ( 1 ) 该芯片的处理速度能够满足数字焊接电源对控制时间的要求。这样，它才能适 应数字化焊接电源的飞速发展的要求，对随机性极强的焊接过程做出及时的响应。 ( 2 ) 在芯片的硬件结构上具有模拟信号的处理功能；具有事件处理能力；拥有强大 的数值计算能力；与外界的计算机和其它单片机的通讯能力；以及实时的硬件仿真和调 试能力。 ( 3 ) 为了加速我们的研究速度，好的编程软件以及良好的仿真和调试环境成了我们 不可缺少的工具。因此，我们需要的芯片应该拥有友好的软件编程环境，这样可以加快 开发过程。 随着现代半导体芯片工业的快速发展，t i 公司推出了新款的1 6 位单片机m s p 4 3 0 系列，它以其高性价比的特点适应了现代工业的发展需要，被广泛的使用在各个工业领 域。 m s p 4 3 0 f 4 4 9 是n 公司推出的一款内外设功能比较丰富的单片机。图2 4 是 m s p 4 3 0 f 4 4 9 的内部结构框图。它是一种超低功耗的混合信号控制器，由多种不同的模 块组成。它具有处理能力强、运行速度快、低功耗等优点。m s p 4 3 0 系列包容了许多先 进的技术： 图2 4 m s p 4 3 0 f 4 4 9 的内部结构框图 f i g ，2 - 4t h ei n s i d ef r a r n e w o r kd i a g r 吼o f m s p 4 3 0 f 4 4 9 2 第2 章硬件电路设计及电路仿真 ( 1 ) 低电压、超低功耗m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机，在1 8 3 6 v 电压、l m h z 的时钟下运 行，耗电电流( 在o 1 4 0 0 u a 之间) 因不同的工作模式而不同；具有1 6 个中断源，并 且可以任意嵌套，使用灵活方便；用中断请求c p u 唤醒只要6 ps ，可编制出实时性特 别高的源代码；可c p u 置于省电模式，以用中断方式唤醒程序。 ( 2 1 强大的处理能力m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机，位1 6 位r j s c 结构具有丰富的寻址方 式( 7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址) 、简洁的2 7 条内核指令以及大量的模拟 指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法； 有较高的处理速度，在8 m h z 晶体驱动下，指令周期为1 2 5us 。这些特点保证了可编制 出高效率的源程序。 ( 3 ) 系统工作稳定上电复位后，首先有d c o c l k 启动c p u ，以保证程序从正确的 位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存 器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作c p u 时钟m c l k 时发 生故障，d c 0 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，用看门狗将其复位。 f 4 ) 丰富的片内外设m s p 4 3 0 f 4 4 9 片上资源丰富，共有1 0 0 只引脚，m s p 4 3 0 系列 单片机将大量的外围模块集成到片内，称之为片内外设，主要包括：时钟模块、i o 端 - 口、通信模块、液晶驱动部件、模数转换器、硬件乘法器、模拟比较器和f 1 a s h 存储器， 控制电路的设计围绕着外设进行。 ( 5 ) 方便高效的开发环境m s p 4 3 0 f 4 4 9 是f l a s h 型单片机，它有十分方便的开发 调试环境，因为器件内有j 1 a g 调试接口，还有可电擦写的f l a s h 存储器，因此采用 先下在程序到f l a s h 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由j t a g 借口读取片 内信息供设计者使用的方法进行开发。这种方式只需要一台p c 机和一个j 1 a g 调试器， 而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编和c 语言。 f 6 1 工业级的产品m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机位工业级的，运行温度范围宽：为一4 0 一8 5 【4 0 1 。 基于以上优点，本课题采用m s p 4 3 0 f 4 4 9 作为控制芯片。所有的硬件电路都是围绕 它来设计的。 2 3 2 外围接口电路设计 ( 1 ) 系统时钟给定 m s p 4 3 0 f 4 4 9 的系统时钟是由时钟模块给定的。时钟模块的信号源来自三个振荡器： d c o 、l e x t l 和l e x t 2 。d c o 振荡器位于芯片内部，不用时可以关闭el e ) ( t 1 可以 ，一，一，。! 一一。尘塞三些奎釜茎璺些堡垫：一，。，一，。一， 接低速晶振，典型的如3 2 7 6 8 k h z ，此时振荡器不需要接负载电容。l e x t 2 主要接高速 晶振( 典型的如8 m h z ) 。这些不同的晶振使m s p 4 3 0 时钟输出3 种不同频率的时钟a c l k ( 辅助时钟) 、m c l k ( 主系统时钟) 、s m c l k ( 子系统时钟) ，a c l k 可由软件选作各 个外围模块的时钟信号，m c l k 主要用于c p u 和系统，s m c l k 主要用于个外围模块。 在本课题中，用到了8 m 的高速晶振给m c l k 和s m c l k 。 ( 2 ) i o 端口 m s p 4 3 0 f 4 4 9 有丰富的i o 端口可供用户使用：p 】 p 6 。其中p 1 ，p 2 具有中断能力。 许多i o 端口都有复用功能，并且有大量的控制寄存器可供操作。p 1 和p 2 端口有7 个 控制寄存器。本课题中，对要求比较高的任务信号采用中断处理来实现，用具有中断能 力的端口接收，如主功率器件的温度监测信号和三相电缺相监测信号。 ( 3 ) a d 转换接口 m s p 4 3 0 f 4 4 9 的a d 模块能够实现1 2 位精度的模数转换，具有高速和通用的特点。 a d c l 2 由5 大功能模块构成，而且都可以通过用户软件独立配置。a d c l 2 的内核是一 个带有采样与保持功能的1 2 位转换器；内部参考电压发生器，同时有两种参考电压值 可供选择；采样与转换过程中所需要的时钟源可以选择；采样及选择所需要的时序控制 电路；转换结果有专门的桶型缓存。 a d c l 2 的主要特点归纳位如下： ( a ) 采样速度快，最高可达到2 0 0 k s p s ； ( b ) 1 2 位转换精度，1 位非线性微分误差，l 位非线性积分误差； ( c ) 内置采样与保持电路； ( 有多种时钟源可提供给a d c l 2 ，而且模块本身内置时钟发生器： ( e ) 内置温度传感器； ( f ) 配置有8 种外部通道与4 路内部通道； ( g ) 内置参考带能源，而且参考电压有6 种可编程的组合； n n 模数转换有4 种模式，可灵活地运用以节省软件量及时间； ( i ) a d c l 2 内核可关断以节省系统能耗。 本课题中a d c l 2 模块采用外部3 3 v 参考电压，序列通道多次转换模式。 ( 4 ) 片外功能扩展- d a 转换 m s p 4 3 0 f 4 4 9 芯片没有片内d a 转换功能，因此必须片外扩展。本课题使用了d a 转换芯片t l ：v 5 6 2 6 ，t l v 5 6 2 6 是一种低功耗双路8 位d a 转换芯片，通过m s p 4 3 0 与其 通信实现d a 转换。m s p 4 3 0 f 4 4 9 有两路通用串行通信模块u s a r t s p i ，用户可以对其 控制寄存器进行设置，由硬件自动实现数据的移进和移出，完成串行通信功能。 第2 章硬件电路设计及电路仿真 课题通过对u s a r t 模块的控制寄存器的设置，使其工作在s p i 同步通信主入从出 模式，通过m s p 4 3 0 的s o m i o 通信端口与t l v 5 6 2 6 的d 矾端口的连接来传递数据。由 m s p 4 3 0 输出模拟时钟信号和对t i 5 6 2 6 的使能端口的控制实现d a 转换的功能。课题 中，t l v 5 6 2 6 的两路输出端口0 u t a 、o u t b 分别用来对移相触发电路和送丝机速度控 制电路进行控制。m s p 4 3 0 通过设定的电压和电流值，发出相应的数字信号给t l v 5 6 2 6 ， 经过d a 转换实现期望的模拟电压信号量，达到对电路的控制目的。m s p 4 3 0 的u s a r t 模块和t l 5 6 2 6 的接口电路如图2 5 。 图2 - 5m s p 4 3 0 f 4 4 9 和t l v 5 6 2 6 接口电路 f i 9 2 5t h ei n t e r f a c ec i r c l 血o f m s p 4 3 0 f 4 4 9a i l dt l v 5 6 2 6 ( 6 ) j t a g 外围电路设计 m s p 4 3 0 f 4 4 9 是f l a s h 型的单片机，它有方便的开发方法，即：通过j t a g 控制 器可以实现程序代码的下载、实现运行控制和对现场进行观察与修改。 j t a g 是一种所谓的边界扫描技术标准，即：i e e e l l 4 9 1 。这是为了在线测试的需 要而发展起来的针对芯片及线路测试的接口技术。它利用串行移位输入及输出的方式对 芯片的输入端加载特定的代码序列，并获得输出端给出的响应序列。全部j 1 1 a g 接口只 有很少的几根引脚。 m s p 4 3 0 系列的f l a s h 型芯片在内部都集成了j t a g 模块，使得用户可以经过j 1 a g 接口实现c p u 仿真调节功能。整个调试过程，外部只需要一台能实现j t a g 接口控制 功能的主机即可。一般用一台p c 电脑，经过打印机接口就能实现。图2 6 是m s p 4 3 0 f 4 4 9 的j t a g 的外部接口电路。 t d o t d i 是编程数据输入口；t d i 是测试数据输入口，器件的保护熔丝被连接到 t d i ；t m s 是器件编程和测试的输入口；t c k 是用于器件测试与自动加载程序启动的时 钟输入接口；r s t ，n m i 是复位输入端口。 北京工业大学工学硕士学位论文 v c c v c c t e s t ，v 0 1 0 0 k j 订工旦q 匹殳1 43 巴! l 6 5 陋整一 87 郾 1 09 阻一 1 21 1 掣 1 41 3 i 10 u f 亍亍1 0 0 n f v c c f a v c c f d v c c r s t ，卜j m 丁d 0 ，t d i t d l t m s t c k 2 0 k m s p 4 3 0 t e s t f v p p 、拈s f a v s s f d v s s 图2 6m s p 4 3 0 f 4 4 9 和j t a g 的接口电路 f i g 2 - 6t h ei n t e r f a c ec i t c u to f m s p 4 3 0 f 4 4 9a 1 1 dj t a g 2 4 控制电路设计 系统控制电路主要有以下电路组成：同步及移相触发电路、送丝机控制电路、焊机 的各种保护电路、面板显示电路、焊接电压和电流设定电路及焊机状态监测电路。c 0 2 焊机就是由单片机对这些硬件电路进行控制，实现最终的工艺性能。 2 4 1 同步及移相触发电路 图2 7 是同步及移相触发电路示意图。a 和a 是主变压器的同步信号，是从二次 侧变压器取出的相反的两组电压u 和u ，这两组电压相位正好相差1 8 0 。，在同一时 刻相交于o 点，采用这个特性实现同步。这与传统的同步电路相比，省略了同步变压器， 节省了成本。当a 和a 都过o 点的时候，两者之间的电压值最小约为0 ，不能击穿z d 】 和z d 2 使p c 8 1 4 导通，q l 截止，q 2 导通，c 2 通过心和q 2 放电，从而达到清零的目的。 s w 是移相触发使能信号，当给定s w 信号以后，+ 1 5 v 电压通过r 1 l 和d 2 给c 2 、c 3 和 第2 章硬件电路设计及电路仿真 + 1 5 v a 1 a 2 图2 7i 司步及移相触发电路 f 塘，2 - 7t h es y n c h m l i z a d o na n dp h a s ec n o lc i r c u “ c 6 充电，由于c 2 和c 6 的另一端有一定的电压值，分别为v c 和v 。，因此首先给c 3 充 电，a 点电压上升斜率k 1 ( 见图) 由r l l 和c 3 的值决定，当电压上升到一定的值时便对 c 6 开始充电，由于c 6 的值较大，所以a 点的电压以斜率k 2 ( 见图) 上升。当电压连续上 升到v c 时，可控硅p u t 打开，进而使q 3 打开，d 1 的阴极电压被拉到地，光祸t n 7 5 2 5 打开。由于q 3 的导通同时，d 2 的阳极电压拉低，从而可控硅p u t 关闭，q 3 关闭，+ 1 5 v 电压从新开始充电，周而复始，光耦t l v 5 2 5 发出一系列的触发信号，控制主电路中晶 闸管的导通。通过改变v 。的值，a 点电压按斜率k l 上升的持续时间也不同，a 点电压 最终达到v c 的时间就随之变化，这样就实现对晶闸管导通角的控制。 2 4 2 送丝机控制电路设计 送丝机控制电路及工作原理：图2 - 8 是有电枢电压负反馈的送丝机控制电路。该电 路主要由脉冲触发电路，反馈电路和斩波电路组成( 图中所有运放均为+ 1 5 v 单电源供 电) 。 北京工业大学工学硕士学位论文 v 图2 8 送丝机控制电路 f i g 2 - 8f e e d e rc o n 廿0 lc i r c u i t ( 1 ) 脉冲触发电路 由r 8 r 1 6 、c l 、q l 、d 2 、运放心p 4 和a m p 5 组成，如图2 8 中所示。其原理是： 给定电压v 。经运放a m p l 和a m p 3 线性放大以后，经r 8 分压给舢肿4 同相输入端，同 时通过r 9 给电容c l 充电直到a m p 4 的反相端输入电压大于同相端输入电压，这时a m p 4 输出低电平给a m p 5 的反相端，m 四5 的同相输入端是一个介于o + 1 5 v 之间的恒定电 压，所以州p 5 输出高电平，使q l 打开。由于电阻r 9 ，r l l ，所以c l 通过